1 引言
　　
　　在交流電機調速傳動中，采用變頻技術，既可實現無級調速，滿足凈水工藝過程中各項指標對電機速度控制的要求，保證水工藝流程的相對穩定，大幅度節約電能，降低制水成本，又可降低或減少相關設備的開停次數，延長使用壽命，解決由于工程實際運行規模與設計規模偏差帶來的弊端，協調各工藝流程間匹配關系，降低土建及工藝設備總價，合水廠建設和運行達到國家相應的考核標準。現就變頻器在水工藝各流程中的具體應用體會，與同行交流，以促進自己的學習、提高。

　　2 變頻調速技術在水處理工藝不同流程應用

　　常規的凈水處理工藝包括取水－＞沉淀－＞過濾－＞送水四個主要流程，配套工藝流程為投加系統、污泥處理及自用水回收等。變頻調速技術在水處理工程中的應用，應強調與工藝和控制檢測技術的協調考慮。在選用的原則及臺數上，一定要目的明確，方法得當，否則不能取得預期效果。

　　（1）在工藝設備選擇上，為解決壓力或流量動態變化的問題，采用大小泵搭配方法進行匹配，人為增加機泵的組數和土建面積，同時也達不到調節均勻變化和穩定的目的，需靠頻繁調整配套閥門的開度解決相關工藝問題。在此情況下，電氣人員應根據工藝的具體要求，配套進行機泵技術參數的選擇，并通過技術計算，取得性價比較高的變頻調速產品。

　　（2）取水泵房變頻器的應用，主要是穩定和調節取水流量的大小與后續工藝處理要求而定，相關因素為源水水位變化和流量變化引起的水泵出口壓力變化，通過對沉淀工藝處理的效果檢測，確定適宜的源水流量或進行人工設置，反饋給變頻調速裝置，使水泵在工作區內取得相對穩定的工作點。

　　（3）沉淀過程中的加礬工藝，直接影響水廠藥耗指標和濾池工況。要使加礬處于*運行狀態，需建立一套數學模型，適用于不同時段、多變和單變參數控制的要求。加礬泵的控制，除沖程量的階躍性控制外，變頻器的應用，使加礬量的控制按級均勻變化，適應了數學模型基礎上的閉環控制，該控制方式需配套相應的檢測設備和數據處理控制系統，通過計算，以4-20mA模擬信號反饋至加礬泵低壓變頻器的輸入控制端，使加礬系統的運行符合水質條件和運行水量的要求，保證沉淀池出水濁度。

　　（4）氣水反沖或V型濾池，是凈水廠常用的過濾工藝。該工藝流程的設備選型主要通過工藝的詳盡計算得出，設備的工作特性為短時反復制。目前變頻器直接應用的實例較少。但結合工藝設備選型上的觀念改變，通過反沖水或氣的壓力檢測，采用單向液動或氣動止回閥代替常設的電動閥和手動閘閥。通過變頻器對反沖水泵和鼓風機轉速的控制，使反沖水和氣的強度按工藝要求準確進行控制，提高過濾工藝的技術指標。這種技術在廣東沿海地區的水處理工程中已有具體應用，也是今后值得研究和發展的又一方向。

　　（5）送水泵房是凈水廠的重要組成部分，它保證整個管網水量和水壓均滿足高質量要求，同時它也是在水廠中耗能zui大的設備。由于水泵選型時是按zui不利條件下zui大時流量及相應揚程設計的，而在實際運行中由于季節和晝夜的變化，zui大和zui小供水量之比約為0.25-0.6。這就會出現高峰小時供水以外的時間內，水泵運行工況點偏離了較佳的工作范圍。以前城鎮凈水廠大多采用調整并聯運行水泵臺數和調節出水閥開度大小來調整水量與水壓。從各大中型水廠運行資料分析，二級泵平均效率在64％左右，能量損耗很大。應用水泵機組變頻調速技術，相應地改變水泵轉速及工況，使其流量與揚程適應管網用水量的變化。多點選擇供水管網zui不利點允許的zui低壓力為控制參數，通過數據處理獲取管網綜合壓力信號，組成閉環壓力自控調整系統，保證管網未端的壓力和水泵電動機組動態地工作于區內，并可實現多臺變頻調速機組動態綜合調頻，達到節能效果。
　　如果n為水泵Q-H曲線，A為管網特性曲線，Ho為管網未端服務壓力，H為泵出口壓力。當用水量達到zui大Qmax時，水泵全速運轉，出口閥門全開，達到滿負荷運行，水泵特性曲線no和用水管路特性曲線Ao匯交于b點，則其工況點為b點。此時水泵的出口壓力為H’，末端服務壓力剛好為Ho。當用水量從Qmax減少到Q1的過程中，采用不同的控制方案，其水泵電動機組的能耗也不同。
　　a.水泵全速運轉，靠關水泵出口閥門來控制：此時，管路阻力特性曲線變陡（A2），水泵工況點由6點上滑到c點。而管路所需的揚程由b點下滑到d點，這樣，c點和d點的揚程差值即為全速水泵的能量浪費。
　　b.水泵變速運轉，靠泵出口壓力恒定來控制，此時，當用水量Qmax下降時，控制系統降低水泵的轉速來改變其特性。但由于采用泵出口壓力恒量方工作。所以其工況點始終在H’上平移。當水量達到Q1時，相應的水泵特性曲線為nx，而管路的特性曲線將向上平移到A1，兩線交點e即為此時工況點。這樣，水量在減少到Q1時，將導致管網zui不利點水壓長高到H1，H1＞Ho，則h1即為水泵的能量浪費。
　　c.水泵變速運轉，靠管網zui不利點恒定來控制，此時，用水量降至Q1時，水泵降低轉速，水泵特性曲線變為n1，其工況點為d，并正好落在管路特性曲線A0上，這樣通過電機調速使水泵工作點始終沿A0滑動，并處于水泵轉速——效率（n-η）特性曲線的區范圍內。管網的服務壓力H0恒定不變，其揚程與系統阻力相適應，沒有能量浪費。此方案與泵出口恒定供水相比，其能耗將下降h1。
　　根據水泵的相似原理：Q1/Q2＝n1/n2...（1）
　　H1/H2＝（n1/n2）2..................（2）
　　P1/P2＝（n1/n2）3..................（3）
　　式中Q、H、P、n--－分別為水泵的流量、壓力、軸功率和轉速。通過轉速控制可以減少軸功率。
　　從工程實施的實際經驗，采用變頻調速和管網未端恒壓力控制技術，水泵電動機組的綜合效率在水泵的工作區內，可達到80％以上，節能效果明顯，并使變頻成套裝置投資回收年限縮短到2-5年內。

　　3 變頻器選擇中應注意的幾個問題

　　（1）變頻器選擇中，應按電動機的額定功率，合理選擇變頻器的輸入和輸出電壓，與用電設備配套。目前國內所應用的各類變頻器低壓等級多為380V、660@V，高壓為3KV、6KV，不同電壓等級服務功率范圍不同，其概況見表一。

　　　不同電壓等級變頻器服務功率推薦



　　不同容量的電機選取適宜的工作電壓，保證變頻裝置的選型和現場安裝配電中易于實施，整套變頻驅動系統的運行損耗降低，并取得較好的投資效果。

　　（2）新的整流元件和控制技術，使現代變頻技術和成套設備應用領域更廣。目前國內外廣泛應用的通用型GTR變頻調速器（Variable Voltage Variable Frequency - VVVF）都是交 － 直 － 交電壓型變頻器。變頻器中的開關元件從傳統的SCR技術發展到現代的IGBT（Insulated - Gate Bipolar Transistor）、GTO（Gate Tum - off Thysistor）、IGCT（Intergrated Gate Commutaled Thys - istor），其中IGBT在低壓變頻技術及整流技術中已得到廣泛的應用。高壓高用領域中各種元件開通和關斷技術性能及控制調節技術不盡相同，具體比較見表二

　　　　　　　高壓應用領域中技術比較
　

（3）在VVVF變頻調速系統中，先將電網中的交流電整成直流電，而后通過逆變器再將直流電逆變為頻率可調的交流電。
整流電路中，根據輸入整流橋的組數不同，可分為6、12、18、24脈沖，如ABB的ACS600、ACS1000均可為12脈沖。三菱FR－A500系列為6脈沖。在近期的整流技術中，根據逆變器基本原理而產生的AFE前端主動技術，利用IGBT的技術特性，使前端整流技術由不可控變為可控，有效保障了逆變功能的更好實現。整流電路功能好壞，直接影響變頻裝置向電網注入諧波量的大小。通過選擇隔離或降壓器的次級繞組的組數，實現了12、18、24脈波整流電路，脈波數越高，向電網注入的諧波分量和次數均會相應降低。同時兩組變頻裝置間通過適當調整變壓器的結線相位角，亦可將某些次數的諧波分量在系統內抵消，不注入電網。另AFE（Active Front End）前端主動技術的采用，使變頻器向電網注入諧波的幾率降低近零。
關于變頻裝置，特別是大型電動機組的變頻裝置應用中向電網注入諧波分量應按國家《電能質量公用電網諧波》管理標準GB/T14549-93嚴格執行，特殊情況還需另行規定。變頻器選用中，應根據當地電網短路容量的實際值進行相應的諧波量核算，以保證電網和周圍電氣控制系統的安全穩定工作。
根據從直流變到交流的中間環節濾波方法的不同，產生電壓源型和電流源型兩種型式的變頻設備，在實際應用中應結合功率因數補償協同考慮。電壓源型運行功率因數可保證在0.95以下，不需額外補償裝置。電流源型變頻設備隨電機轉速的變化，功率因素較大幅度變化。
由于電流源型變頻器功率因數偏低，大部分處于要補償范圍，故需增加額外的補償設備，對大功率設備的應用，還應考慮補償量的可變化性，給工程實際運行帶來其它相關問題， 設計選擇應慎重選用。
4 變頻器工程應用中應注意的幾個問題
（1）變頻器選擇應用中，應注重整體配套、包括相應的閉環控制的檢測單元、柜上和現場操作盤（箱）。
（2）選型后的產品應就調速系統的一般性指標、主傳動系統的性能指標、矢量控制型輔傳動系統的性能指標、標量控制型輔傳動系統的性能指標、控制系統的可用率等方面，結合工藝技術的具體要求進行考核，達到實際應用的各項要求。
（3）外圍設備，如變頻變壓器，電動機等性能應滿足變頻工況下長期運行要求、否則應采取其它技術措施，如降容、絕緣加強、輔助散熱裝置等。
（4）變頻器安裝及接線中，應嚴格按照產品安裝使用手冊進行，各種輔助措施，如裝置環境條件的保證，接地安全措施均應予留到位，否則會直接影響變頻器的使用壽命和效率，還會造成對其它系統干擾現象。
（5）變頻裝置在條件允許情況下，應考慮與其它控制系統數據和信息通訊地能力，更好監測變頻器的各種工況。
充分發揮多臺裝置在同一系統中綜合應用的潛力，達到動態、互補、經濟運行的目的。
5 工程實例
蘇州新區水廠，設計凈水總規模30x104t/d，分兩期實施，一期15x104t/d。按新區用水量實際和發展預測，建成后的水廠實際日供水量4-9x104t/g，日zui小zui大供水量之比約0.35。近期預測需水量16x104t/d，遠期予測需水量30x104t/d。
在送水泵房離心水泵選擇和配套電機、調速裝置的選用中，根據新區管網的具體特征，對一、二期工程不同供水工況和定速與調速機組臺數不同組合情況下的能耗做了如下前期計算，比較結果見表三

新區水廠配水泵不同工況不同組合能耗計算表


從上表可以看出：

　　（1）隨著流量從大到小，采用不調速時，揚程增大，水泵效率下降，總功率增加；而有調速水泵機組的組合則揚程減小，水泵效率基本保持在區，能耗降低，說明采用調速水泵機組是必要的，節能*。
　　（2）根據能耗差值多少和一次投資的大小做比較，一期工程中，在供水機率較高的工況下，采用一定速泵、一調速泵組合工作方式。與不調速相比，總軸功率減少平均值186KW，計及水泵電動機組整體效率相對提高，減少能耗約214KW，節能率為15.1%，全年可節約電能約180x104Kwh；二期工程中，采用二定速泵，二調速泵組合工作方式，與不調速相比，總軸功率減少平均值277KW，計及水泵電動機組整體效率相對提高，減少能耗約340KW，節能率為17.6%，全年可節省電能約303x104Kwh。
　　（3）按工程施工實際情況，一期選用三臺水泵機組，正常運行時二用一備，其中設變頻調速機組一臺；二期水泵機組增至五臺，四用一備，變頻機組二臺。變頻調速設備選用ABB公司ACS600系列產品，配套1000KVA變頻變壓器及660V、710KW變頻電機，單套設備投資190萬元，若以0.64元/Kwh電費計價，一期工程年節省電費115萬元，計及工程投資利息，可在二年內基本收回變頻設備投資；按二期工程變頻實施方案，年節省電費194萬元，變頻投資回收年限三年。
　　由于采用三繞組變頻變壓器，整流單元采用十二脈沖，逆變器部分采用IGBT大功率元件，PWM脈沖調制方式和DTC直接力矩控制理論，整機組在試驗和運行中達到預期目的，諧波分量在10KV直配電系統中（10KV進線處，Smin=69MVA）*電力系統諧波管理規定中的各項要求。

　　6 結論

　　（1）變頻器在凈水廠中的應用，應結合各工藝流程的具體特征，進行多方案比較選擇，做到目的明確，方法得當。
　　（2）選用新工藝、新技術基礎上生產制造的成套產品，為裝置長期安全、經濟運行創造條件。
　　（3）嚴格按照定型產品的安裝使用技術準則使用，避免因應用不當造成額外的經濟損失。
　　（4）外圍設備的選型應滿足變頻工況下長期運行要求，與系統有關的問題，如功率因數補償、諧波的抑制、屏蔽抗干擾措施，應在工程設計施工中完善。